船閘疊梁門加高阻水設計分析

作者簡介：

冀溫源（1991—），碩士，工程師，主要從事船閘運營中機械設備管理、改進與檢修工作。

由于船閘檢修期間上游水位超過疊梁門原有設計檢修水位，需對疊梁門采取加高阻水措施。文章依據平面力學推導計算得到疊梁門的極限承載水頭，采用有限單元法對疊梁門在極限荷載工況下的強度和剛度進行校核，對頂部疊梁門加高阻水擋板進行了詳細設計。實際應用表明，改造后的疊梁門具有較好的使用效果和安全可靠性。該分析方法和設計流程提高了技術改造的工作效率和設計方案的可靠性，為船閘等水工金屬結構的分析設計提供參考。

疊梁門；加高阻水；有限元

U641.2 A 57 180 4

0 引言

桂平二線船閘為3 000噸級船閘，自2011年建成通航運行至今已超過10年，根據相關管理辦法和維護技術規范［1-2］，于2022年一季度對其進行全面的抽干閘室水停航大修。該船閘上下閘首各設置有一扇檢修疊梁門用于上下閘首擋水。由于2022年2月廣西雨水充沛，特別是西江上游流域降水較多，桂平船閘上游水位高出往年同期，這導致船閘上游水位超過疊梁門檢修水位。為了按期開展大修工作，保障施工安全，需對船閘上游檢修門采取臨時加高阻水措施。根據相關設計規范［3-4］，水工鋼閘門設計時均有一定安全裕度，劉曉光對船閘檢修閘門的適用性進行了分析，這為檢修門加高阻水設計提供可能性。

本文采用理論推導和大型通用有限元軟件對疊梁門結構進行計算和分析，充分發掘和利用其承載能力，在符合設計規范的安全前提下，對其進行加高阻水設計。

1 工程概況

船閘上閘首檢修門為露頂式平面滑動鋼閘門。如圖1所示，閘門孔口尺寸為34.0 m×8.0 m，底檻高程為23.0 m，門槽頂部高程為44.0 m；閘門止水寬度為34.86 m，支承跨度為35.4 m；門葉分4節制造，其中第Ⅰ、Ⅱ節門規格相同，高度為2 m，第Ⅲ、Ⅳ節門規格相同，高度為2 m，單節啟閉；閘門設計最高擋水位為30.5 m（上游檢修水位），閘門設計水頭為7.5 m，預留0.5 m超高。

2 疊梁門承載能力理論分析

加高檢修門阻水，即在頂部一節（第Ⅳ節）疊梁門焊接阻水板，這勢必會增加檢修門整體的受載，特別是對最底部一節（第Ⅰ節）疊梁門造成一定影響。第Ⅳ節疊梁門的可增加高度取決于第Ⅰ節疊梁門的承載能力，因此對第Ⅰ節疊梁門在極限工況下的承載能力進行計算分析。

單節疊梁門為實腹式雙主梁結構，沿閘室橫向方向作用在主梁上的作用荷載近似均布荷載。沿深度方向第Ⅰ節疊梁門承載依深度線性呈直角梯形分布的水壓荷載，如圖2所示。

水工鋼閘門通常采用等荷載原則進行設計計算，每根主梁上的均布荷載集度q為：

q=Pn=ρg（h1+h2）2×h2（1）

式中：P——該節疊梁門單位跨度上的總水壓（Pa）；

n——主梁數目；

h1、h2和h——第Ⅰ節疊梁門頂部和底部水深，以及高度（mm）；

ρ——水的密度（kg/mm3）；

g——重力加速度（mm/s2）。

根據《船閘閘閥門設計規范》（JTJ308-2003）［3］規定，疊梁門跨中主梁彎矩內力為：

M=qLq4L-Lq2（2）

式中：Lq——荷載跨度（mm）；

L——支承跨度（mm）。

疊梁門在水壓及上部疊梁門重力載荷下將發生彎曲、扭轉、剪切和拉壓的組合變形，但其他應力相對于主梁彎曲應力比較小，因此強度計算主要分析主梁彎曲應力：

σ=MW≤σ（3）

式中：W——主梁的截面抵抗矩（mm3）。

經計算圖2的截面參數可知，Wmin=73 603 457 mm3。查表得該厚度鋼材的主梁翼緣抗彎容許應力［σ］為190 MPa，考慮閘門自重引起的附加應力影響，取容許應力為0.9［σ］，其值為171 MPa。

將式（1）和式（2）代入式（3）得：

h2≤8·σ·WminρghLqL-Lq2+h2（4）

=8×171×73 603 4571×10-9×9 800×2 000×35 400-34 8602+2 0002=9.2 m

由強度條件分析可得，符合設計規范要求下該疊梁門最大承載水頭為9.2 m，即疊梁門最高可增加1.2 m阻水。

3 疊梁門承載能力有限單元法校核

根據上文的理論推導，結合安全性要求和實際加工制造條件，對第Ⅳ節疊梁門增加1 m阻水設計，即整體結構按9 m水頭進行校核。根據設計規范要求，需對增加阻水后的疊梁門進行強度和剛度校核驗算。由于增加阻水后相對原來7.5 m的設計水頭，該疊梁門將處于超載工作狀態，為了更全面、準確地分析疊梁門的受力情況，采用有限單元法對疊梁門進行計算分析。有限單元法具有計算準確、分析全面等有優點，已廣泛應用于水工金屬結構設計當中，本節采用有限單元法對超設計水頭的疊梁門進行計算分析。

3.1 疊梁門有限元模型的建立

船閘檢修疊梁門由面板、翼緣、腹板、隔板組成，為薄壁板殼金屬結構，因此采用板殼單元對疊梁門進行離散建模，支承部分滑塊采用實體單元。疊梁門整體為對稱結構，可采用對稱建模的方式，計算1/2模型，以提高計算效率。網格劃分單元尺寸為20 mm。有限元模型如圖3所示，共計545 661個節點、543 990個板殼單元、2 052個實體單元。

疊梁門門葉結構材料為Q345B，彈性模量E=2.06×105 MPa，泊松比μ=0.3，屈服極限為345 MPa，強度極限為509.6 MPa，密度為ρ=7.85×103 kg/m3。

根據圖3的全局坐標系，為門體底部節點施加z位移約束，模擬底部門槽支撐；主支承墊板部分施加x位移約束，模擬簡支梁邊界條件；中間隔板對稱面施加y位移約束和x軸及z軸的轉動約束。

水壓載荷沿深度方向呈梯形線性分布施加在面板上：

p=ρgh（5）

式中：h——加高阻水后的水頭高度，門底部取值為9 000 mm，頂部取值7 000 mm。

該加載方式區別于平面力學計算的等荷載計算方式，更接近于結構實際的受載情況。

門體自重通過重力加速度施加在模型上。上三節疊梁門以及加高的擋水板共計160 t，取1/2重量通過力的加載形式均布在疊梁門頂部的節點上。

3.2 疊梁門強度和剛度分析

由圖4疊梁門的應力分布云圖可以看出，面板和前后翼緣組成的實腹主梁為門葉的主要承載結構，且跨中部分應力較大，向支承端部遞減。支承部位由于模型的簡化，存在計算應力集中現象。由于三維有限元模型包

含了縱向聯結等細節結構，且加載時考慮了上三節疊梁門的重力，因此其應力分布更貼近實際情況，與一維理論推導梁的應力分布存在一定差別，例如斜撐與后翼緣焊接部位應力會明顯增加。從表1可以看出，有限元分析結果與傳統的平面力學計算結果非常接近，且結構強度均能滿足要求。

通過有限元計算，得到疊梁門跨中最大撓度為68.5 mm，跨中附近面板中心最大位移為70.2 mm，整體位移分布如圖5所示。根據《水利水電工程鋼閘門設計規范》（SL 74-2019）［4］規定，檢修閘門主梁受彎最大撓度與計算跨度之比應≤1/500。該疊梁門中跨度為35.4 m，容許撓度為35 400/500=70.8 mm，因此疊梁門有足夠的變形抵抗能力，滿足剛度要求。

經有限單元法計算校核，疊梁門承受9 m水頭時，仍然滿足強度和剛度要求。

4 疊梁門阻水擋板加高設計

在對疊梁門加高阻水的可行性進行論證后，設計了第Ⅳ節疊梁門加焊阻水擋板結構（如圖6所示）。由于頂部水壓載荷較小，根據設計規范，閘門的鋼板厚度應≥6 mm，加高的擋水面板采用6 mm鋼板。加高擋水板與疊梁門隔板采用梯形支撐板連接原有豎直次梁的位置，擋水板加肋板與原有頂部次梁連接，增加結構的整體強度和穩定性，并采用有限單元對加高擋水板進行強度校核。

由圖7可知，改造后第Ⅳ節疊梁門加高擋水板受載最大應力為86.3 MPa，結構設計以及面板厚度選擇滿足強度要求。

5 改造后疊梁門的應用

改造后的桂平二線船閘上閘首疊梁門能擋住32 m高程以下的水位。船閘大修期間，桂平二線船閘上游水位變化如圖8所示，該疊梁門的投入使用使得抽干閘室的大修工作正常開展，保障了施工期間的人員和設備安全。

6 結語

（1）通過疊梁門主梁受彎工況的理論推導，計算得到該疊梁的極限荷載水頭為9.2 m，為疊梁門加高阻水改造提供參數依據。

（2）運用有限單元法對疊梁門在極限承載工況的強度和剛度進行分析，并將結果與傳統平面力學計算結果和容許值進行對比分析。該疊梁門加高1 m阻水后，整體結構仍滿足強度和剛度要求，論證了疊梁門加高阻水方案的可行性。

（3）有限單元法計算條件和加載方式更貼近實際工況，計算結果能更全面、多角度地反映結構的受力情況，可為船閘等水工金屬結構的設計、校核和安全評估提供可靠的依據。

（4）通過該分析方法和設計流程，改造后的疊梁門具有較好的使用效果和安全可靠性，可為船閘同類金屬結構的分析設計提供參考和啟發。

參考文獻

［1］JTS320-2-2018，通航建筑物維護技術規范［S］.

［2］廣西壯族自治區人民政府.廣西壯族自治區船閘管理辦法［EB/OL］. www.gxzf.gov.cn/zfgb/2020nzfgb_20210226/d15q202024/zfl20210508/t9991925.shtml，2021-08-09.

［3］JTJ308-200，船閘閘閥門設計規范［S］.

［4］SL 74-2019，水利水電工程鋼閘門設計規范［S］.

收稿日期：2022-10-20